科普：你走路的樣子很“物理”

生活中處處有物理，物理中處處有生活。今天老郭要和您聊聊生活中最常見的一件事——走路背后的物理學原理。

走路是每一個健康人都會的最基本動作了，兒童在1歲半之后基本上都能學會自然走路，甩開雙臂，邁開步子，這是我們對走路的最基本認識。借助攝像機，現在可以很容易對走路的動作進行記錄和動作分解，具體的走路分解動作這里不提供了，大家自己找個視頻慢放一下就行。

物理學對運動的分析方法是把復雜的運動分解成很多簡單運動的合成。在水平路面走直線的時候，人體的運動是一個合成運動，它包括：1、垂直方向上的起落；2、行進方向上的直線運動；3、身體左右的擺動；4、沿著身體豎直中軸線的旋轉運動。

從行走運動分解中我們能看出，行進中4種運動方式，都涉及身體運動狀態的改變，這就需要肌肉發力，改變其運動狀態。用物理的語言來說就是，身體的某些部位在力的作用下移動了一段距離，做了功，而做功就要消耗能量。這就能解釋，為什么走一定的距離之后，人會感覺到疲累。

很多體育專業的研究論文中都表明，通常情況下，人體以5Km/hr的速度行走就可以達到中等強度的鍛煉標準，每天累計0.5小時的中等強度身體活動就足以為自身健康提供足夠保障。走路中消耗的能量來自人體內儲備的糖和脂肪等物質的氧化，從化學能變成讓肌肉收縮和舒張的機械能，氧化后的產物會以二氧化碳及其它代謝產物排除體外，所以走路可以減體重。

有人認為，人如果保持勻速直線運動，這個摩擦力就不做功，從另外一個角度來說，功等于力與位移的乘積，由于摩擦力作用的時候，腳的位置不變，所以摩擦力也沒有做功。毫無疑問，摩擦力不做功的答案是正確的，只是這個解釋不科學。

正確回答這個問題要從高中物理的質點模型過渡到大學物理的質點系模型。人在行走時，腿部肌肉不斷收縮拉伸，質點間距時刻發生變化，則系統內部非保守力在做功，機械能增加，人體生物能轉化為外部機械能。因此只把人的整體看作一個質點，來分析做功問題是不合理的。

換句話說，人在沿著直線方向上的勻速前進不能看做是質點的勻速直線運動，直接套用牛頓第一定律（慣性定律），認為在行走中前進方向的勻速直線運動不消耗能量是錯誤的。

還是要回到大學物理中的質點系模型，根據質點系動量定理，根據牛頓第二定律，質點系動量的改變量等于作用在質點系所有外力矢量和與時間的乘積（或者說質點系的動量對時間的微商等于作用在質點系上外力的矢量和）。

換句話說，只有外力的矢量和不為零，才能直接改變質點系的動量。也就是說，地面對人腳的摩擦力雖然不做功，但卻給系統提供了沖量，改變了系統內各部分的動能配額，使重心（質心）獲得了一個與摩擦力方向相同的加速度。

一般人在平坦路面的直線行走都是采用步幅適中、步頻穩定，沒有特殊情況，不會有人邁大步（兩腿間最大夾角超過30°）。從重心的移動來看，都有一個加速——減速的循環過程，沒有一個人能做到重心的勻速直線運動。所以，不僅系統內要消耗能量，整體也要消耗能量。

但如果把人做為一個整體來看的時候，如果能盡量保持勻速直線運動，確實能節省一些能量，只是絕對的勻速直線運動，臣妾真的做不到。

行走運動的一個分解運動是重心有規律地起伏。這是因為，人走路的每一步都是重心以支撐腿與地面接觸點為軸的一次滾動跌落，另外一條腿跟上接觸地面的時候，重心就會滾動上升。重心克服重力滾動上升的能量來自生物能的轉化。

這就能解釋，為什么行走的時候如果想“省力”就不能邁大步？因為邁大步的時候，重心地起伏很大，需要克服重力做更多的功，消耗更多的能量。

正常人走路都是自然擺臂，有的人把擺臂歸結為從爬行到直立行走的進化遺留產物，這個解釋是錯誤的，因為人兩足行走和四足動物行走的姿態不一樣。四足動物的身體旋轉很小，而人在走路的時候，身體沿著豎直中軸線的轉動比較大。

當走路的時候對側的手和腳同時運動，系統的轉動狀態改變的矢量和就比較小，換句話說，就是消耗更少的能量，也就是我們說的省力。

除了沿著身體豎直中軸的一個轉動，行走的時候，人體的重心還有一個左右的擺動。這一點在女性身上更明顯，這是因為她們的骨盆比男性寬。所以，人的擺臂除了前后擺動，還會有一個向人體中線的擺動，這個擺動，也是女性要更明顯些。

由于擺臂減少了轉動過程中，系統轉動狀態的矢量和，也就是說，擺臂保持了人體在行進中在豎直方向上轉動的狀態，有利于平衡。而手臂向中線擺動，降低了質點系左右擺動的矢量和，換句話說就是減少了重心的左右擺動

可以說，擺臂不是人類進化過程的遺跡，它是省力的行走方式的重要組成部分。

弄清楚走路的物理規律可以幫助我們做許多事情，比如研發更靈活的兩足行走機器人、研制可以幫助因為事故失去部分行走功能的人康復的機器、制定走路健身方案等等。

參考文獻：

《擺臂方式對走路協調性及能量消耗的影響》浙江大學 教育學院體育系 李春蕾，周永平。

《關于人走路的若干物理問題分析》 東北師范大學物理學院 翟爽，候恕。

關于行走中的物理學就介紹到這里，我是@郭哥聊科學，如果您喜歡這篇文章，歡迎您在評論區留言、點贊、轉發、關注。